[發明專利]一種脆性材料磨削過程建模仿真方法

在審

• 申請號: 201611050239.5
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106650021A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 鄭桂林;郭曉光;李洋;史宇同;王曉麗;陳沖;李春暉;康仁科;金洙吉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于微納米超精密加工數值仿真領域，涉及一種采用基于光滑粒子流體動力學方法的三維微納米磨削加工仿真方法。

背景技術

隨著科學技術的發展，光學玻璃越來越廣泛地運用在光電通訊、航空航天以及國防工業等領域。然而由于其高脆性、高硬度、低斷裂韌性，很難獲得能滿足日益發展的光學技術要求的超光滑表面。加工脆性材料的傳統方法在加載和加工過程中容易產生微裂紋。這些微裂紋在后續加工的時候更容易導致脆性斷裂，很難獲得納米級的光學表面，嚴重影響石英玻璃等脆性材料的應用。因此有大量研究集中在如何獲得納米級光學表面上。通過壓痕、劃痕等實驗確定了玻璃類脆性材料可以在納米尺度上以塑性方式去除，此時不會產生裂紋、崩碎等降低表面質量的行為。例如，TAMAKI J等在2009年日本11th International Symposium on Advances in Abrasive Technology會議發表的《Experimental analysis of elastic and plastic behavior in ductile-regime machining of glass quartz utilizing a diamond tool》，論文集235–240頁。從工藝角度出發，磨削仍是廣大學者們努力研究的方向。為了避免傳統磨削方法帶來的問題，一些輔助方法引入到磨削中。超聲輔助磨削能夠有效地降低磨削力、提高工件表面加工質量、降低工件表面損傷等；ELID磨削通過電解在線修整技術避免了磨具鈍化和阻塞，降低了加工材料的磨削應力和磨削力，減少了對石英玻璃光學器件的表面和亞表面損傷。眾多磨削手段的基本原理都是通過單顆粒磨削過程來揭示的，單顆磨粒磨削在磨削加工過程中可以排除其他磨粒的干涉影響，并在較大的可控范圍內研究磨削參數的影響。但是，正如其他實驗方法一樣，由于加工和觀測條件限制，單顆磨粒磨削實驗僅能觀察到部分加工結果，對于加工中微納尺度上的材料行為并不能很好地展現出來。而數值仿真從另一個角度揭示材料加工機理，能準確地捕捉到諸如實時應力應變、材料分離過程等實驗不容易得到的數據。適合于脆性材料高速加工的Johnson-Holmquist Ceramics材料本構模型，簡稱JH-2模型，詳見JOHNSON GR,HOLMQUIST TJ.An improved computational constitutive model for brittle materials[C]//High-Pressure Science and Technology,Colorado Springs,USA,1994:981–4，適合仿真高速加工脆性材料。本發明采用的光滑粒子流體動力學(smoothing particle hydrodynamics，SPH)方法作為一種新興的無網格的數值仿真方法，解決了有限元方法在處理大應變、大應變率時網格畸變等問題，能很好地模擬出脆性材料分離過程，同時與分子動力學相比，又不會受到尺度的限制，因此不需要考慮微觀狀態下作用勢的問題。

發明內容

本發明的目的在于，改善現有加工技術上的不足，發明一種基于SPH方法的脆性材料超精密磨削仿真方法。通過建立被加工材料的SPH粒子模型和被簡化的單顆磨粒模型，運用三次樣條插值算法，采用適合于脆性材料高速加工的JH-2材料本構模型，并在美國有限元計算軟件LS-DYNA中計算，通過脆性材料臨界加工深度判據輔助判斷，對仿真結果進行分析。該仿真方法能更加清晰準確地得到磨削加工過程中應力、應變、密度等數據，通過控制加工深度使得脆性材料在塑性域去除，更有利于獲得較為理想的表面質量。節省了大量的人力成本、實驗成本以及經濟成本。

本發明采取的技術方案是一種脆性材料磨削過程仿真方法，以單個磨粒作為刀具對加工過程進行數值模擬的方法，其特征是，首先確定磨粒和被加工材料的尺寸，然后，在ANSYS里建立三維磨粒有限元模型，在LS-DYNA的前后處理軟件LS-PrePost中建立工件材料的SPH模型，運用三次樣條插值算法，采用適合于脆性材料高速加工的JH-2材料本構模型，再設置接觸、邊界、材料等參數，并在LS-DYNA中計算，最后，判斷結果是否符合實際加工情況，對仿真結果進行分析。仿真方法具體步驟如下：

步驟1：規劃仿真尺度并設計被加工材料和磨粒的尺寸；

根據實際脆性材料超精密加工極限尺寸來規劃仿真尺度，進而設計合理的被加工材料和單顆磨粒的尺寸，被加工材料和磨粒的尺寸的選擇要完整地表達出材料分離過程。